1. 研究内容及项目背景
1.1. 研究内容
本研究的主要内容是通过模拟电路实现机械臂的同步控制，提高机械臂在多应用场景中的协作性和精确性。与常见的数字控制系统相比，模拟控制系统在响应速度上具有优势，能够实现更为平滑的控制，尤其是在需要快速调整运动状态的情况下，并且模拟电路具有更简洁的设计和更小的延迟，通过运算放大器和其他模拟元件，驱动执行单元，在应对复杂环境时表现出更加优良的稳定性。此外，模拟电路的低功耗特性使得其在特定应用环境中更具优越性。
1.2. 同步控制机械臂的项目背景
本项目实验设计并实现一套基于模拟电路的机械臂同步控制系统，帮助学生从解决实际项目问题中获得知识[1]。在机械臂的控制领域，常见的控制方式包括液压杆控制、软件控制、机械按钮控制和遥控器控制等。这种控制方式不仅降低了学习门槛，还改善了操作体验，使操作者能够更直观、准确地控制机械臂的运动。本实验旨在通过搭建模拟电路，制作等比例的遥控模型，实现机械臂的同步控制，训练电路分析的能力。这种创新的控制方法有望在工业自动化和机器人技术领域中广泛应用，提升操作效率和精度，同时减少操作者的学习成本和工作压力。
采用项目式实验的方法，从需求分析、设计制作、系统集成、到性能评估，全程让学生作为实验项目的负责人[2]，提高了学生的主动性、参与性，加深了学生对全过程的理解和掌握[3]。基于OBE理念，积极探索项目式实验教学方法及多元化的评估的实验教学模式[4]，全面实施并优化机械臂同步控制系统，确保研究成果的实用性和创新性。
2. 研究方法
2.1. 需求分析与文献调研
在进行实验之前，需要先明确同步控制机械臂的具体需求和功能要求，包括运动范围、精度要求、响应速度等。全面调研现有的机械臂控制技术，特别是同步控制方法的研究进展。重点关注模拟电路在其中的应用，了解其优缺点与发展趋势。
2.2. 电路工作原理分析
NE555的内部结构图如图1所示，它有3个阻值相同的电阻。6号引脚连接一个运算放大器的同相输入端，同时该运算放大器的输出端连接到SR触发器的R端，当6号引脚的电位小于2/3 VCC时，R端输入为0，当6号引脚的电位大于2/3 VCC时，R端输入为1；2号引脚连接另一个运算放大器的反相输入端，同时该运算放大器的输出端连接到SR触发器的S端，当2号引脚的电位小于1/3 VCC时，S端输入为1，当2号引脚的电位大于1/3 VCC时，S端输入为0。分析两个引脚组合输出结果见表1。当设计电路中把2号引脚和6号引脚连接到一起时，称为“NE555的无稳态电路”。
Figure 1. Simplified internal structure diagram of NE555
图1. NE555内部结构简化图
Table 1. Output relationship table for NE555 pin
表1. NE555引脚对应输出关系表
6号引脚电位 |
2号引脚电位 |
3号引脚输出 |
7号引脚输出 |
<2/3 VCC |
<1/3 VCC |
高电平 |
低电平 |
<2/3 VCC |
>1/3 VCC |
保持 |
保持 |
>2/3 VCC |
>1/3 VCC |
低电平 |
高电平 |
2.3. 实验电路设计
选用合适的模拟电路元件及参数，设计以NE555为主体的电路结构，确保能够实现机械臂的同步控制。使用Proteus仿真软件对设计的电路进行模拟，验证其可行性和性能。
设计与机械臂等比例的遥控器模型，并确保其结构和运动与实际机械臂相符，使用3D打印笔打印遥控器。
将模拟电路和遥控模型集成到一个完整的控制系统中，如图2所示。确保各部分协调工作。通过进行初步的功能测试，验证系统的基本功能和性能。
Figure 2. Circuit design process
图2. 电路设计流程
2.4. 电路调试与优化
通过多次实验和调试，优化系统的性能，解决可能出现的问题，确保系统的稳定性和可靠性。根据实验数据，调整和改进电路设计和遥控模型，进一步提高系统的性能。
3. 项目研究结果
3.1. 电路设计及实物制作
本项目设计了一个高精度的模拟电路系统，主要的电路包括3个模块：
1) 输入模块
包括多个电位器，实时捕捉遥控器操作杆的位置信号，如图3所示。
Figure 3. Potentiometer in Proteus simulation
图3. Proteus仿真中的电位器
采用3D打印笔，打印出与机械臂等比例的遥控器，并在其中嵌入电位器，当遥控器对应关节转动时带动电位器转动。如图4所示。
2) 信号处理模块
由NE555芯片和二极管、电容、电阻组成的占空比可调的矩形波发生电路，如图5所示。
Figure 4. A physical image of a remote control (left) and a robotic arm (right) at an equal scale
图4. 等比例的遥控器(图左)与机械臂(图右)实物图
Figure 5. Signal processing module in Proteus simulation
图5. Proteus仿真中的信号处理模块
利用NE555芯片的无稳态电路，让NE555芯片的2号引脚与6号引脚相连，电路随着电容的充放电能够自动地不断输出高、低电平。如图6~8所示，通过二极管、电阻、电位器，调节电容充放电速度，从而调节输出矩形波的占空比。
当电容刚开始充电时，7号引脚输出低电平，BJT关断。6号引脚电位小于2/3 VCC，2号引脚的电位小于1/3 VCC，3号引脚输出高电平，对应输出矩形波的高电平；当电容充电大于1/3 VCC时，6号引脚电位小于2/3 VCC，2号引脚的电位大于1/3 VCC，3号引脚输出保持高电平，对应输出矩形波的高电平，7号引脚输出保持低电平，BJT保持关断；当电容充电大于2/3 VCC时，6号引脚电位大于2/3 VCC，2号引脚的电位大于1/3 VCC，3号引脚输出变为低电平，对应输出矩形波的低电平，7号引脚输出变为高电平，BJT导通，电容开始对地放电；当电容放电小于2/3 VCC时，6号引脚电位小于2/3 VCC，2号引脚的电位大于1/3 VCC，3号引脚输出保持低电平，对应输出矩形波的低电平，7号引脚输出保持高电平，BJT保持导通，电容继续对地放电；当电容放电小于1/3 VCC时，6号引脚电位小于2/3 VCC，2号引脚的电位小于1/3 VCC，3号引脚输出变为高电平，对应输出矩形波的高电平，7号引脚输出变为低电平，BJT关断，电容停止对地放电，开始充电，进入下一轮循环。
Figure 6. The capacitance charge discharge curve (blue) in Proteus simulation corresponds to the rectangular wave output (yellow)
图6. Proteus仿真中电容充放电曲线(蓝色)对应矩形波输出(黄色)
Figure 7. Corresponding waveform when potentiometer resistance is 21%
图7. 电位器阻值为21%时对应波形
Figure 8. Corresponding waveform when potentiometer resistance is 52%
图8. 电位器阻值为52%时对应波形
用洞洞板根据电路图焊接电路，并采用排针留出输入输出接口，以便接入遥控器和机械臂。如图9所示。
Figure 9. Physical picture of circuit soldering
图9. 电路焊接实物图
3) 输出模块
将矩形波信号传输给SG90舵机，由SG90舵机进行动作结果的输出，如图10所示。简易的机械臂，由四个SG90舵机和一些简单的结构件组成。SG90舵机有三根接线，分别是正极线、接地线、信号线，其中信号线接收周期为20 ms的矩形波信号，当高电平脉宽为0.5 ms时，舵机转角为0˚；当高电平脉宽为1.0 ms时，舵机转角为45˚。以此类推，高电平脉宽从0.5 ms到2.0 ms变化时，舵机转角从0˚到180˚变化。
Figure 10. Adjusting the potentiometer to control the steering angle in Proteus simulation
图10. Proteus仿真中调节电位器控制舵机角度
3.2. 系统集成与调试
将输入模块、信号处理模块、输出模块用导线连接成一个完整的系统，接入电源进行测试，完成抓取、抬升、旋转、释放的功能，如图11所示。
Figure 11. System integration debugging
图11. 系统集成调试
在实验过程中，通过对模拟电路的不断优化，提升了控制的同步性和控制精度。通过调整电容充放电电阻(R2, R3)的阻值，成功解决了遥控器操作与机械臂动作之间的同步问题。最终，R2的阻值调整为220 kΩ，R3的阻值调整为180 kΩ，使得系统的同步控制效果达到最优。通过调试发现，操作者能够熟练掌握机械臂的操作，遥控器与机械臂的响应具有较好的同步性，机械臂能够轻松地完成抓取、抬升、旋转、释放等动作。
遥控器的操作与机械臂的动作之间存在一些的差距，分析电路后发现是仿真与实物参数之间存在的差距、电子元件本身由于制造工艺产生误差所导致。尝试改变中电容充放电部分的R2、R3两个电阻的阻值减小误差，如图12所示。
Figure 12. Comparison of new and old parameters of R2 and R3 during circuit debugging
图12. 电路调试时R2、R3的新旧参数对比图
通过在焊接完成的电路中不断地调整，发现当R2阻值调整到220 kΩ、R3阻值调整到180 kΩ时，遥控器的操作与机械臂的动作具有良好的同步。
4. 结论
本研究成功地设计并实现了一套基于模拟电路的机械臂同步控制系统，通过分析和研究，发现采用模拟电路进行机械臂的同步控制具有显著的优越性。与数字电路相比，模拟电路在响应速度和时效性方面表现突出，能够显著降低控制信号的处理延迟，提高系统整体反应速度。通过使用运算放大器和各种模拟器件，模拟电路能够有效地处理传感器信号，实现对关节运动的即时调节。总之，本研究基于OBE理念，通过项目式实验的方法，让学生在完成项目的过程中积极主动地发现问题、探究问题，对项目的设计、实施等进行全面地研讨[5]，不仅将课堂上学习的电路分析知识应用于实际情境中，还有效提升了学生调试和故障排除能力。在提高学生创新能力、实践能力、操作能力方面具有良好的效果，促进了知识和技能的融合与使用[6]，为电路分析知识转化为实际项目提供了参考。
基金项目
2024教育部实验教学和教学实验室建设研究项目(项目编号SYJX2024-216)；宁夏大学第六批校级“课程思政”示范课程建设项目(项目编号KCSZ2024018)。
NOTES
*第一作者。
#通讯作者。